一种微型三维能量采集装置

1.本发明属于能量采集技术领域，具体提供了一种微型三维能量采集装置。


背景技术：

2.微型可穿戴式电子设备近年来受到广泛的关注和研究。研究中发现，传统化学电池的供电策略在此类设备的应用中表现出明显的缺点，包括电池寿命短、需要定期充电以及环境污染等。因此随着可穿戴式电子设备功耗越来越低，采用振动能量采集装置将人体产生的振动能量转换为电能，从而为低功耗电子设备供电成为研究的重点与热点。如今振动能量采集器可分为压电能量采集、静电能量采集、电磁能量采集以及复合式能量采集等多种方式，其中由于电磁能量采集结构简单、输出电压大、制作方便且易于分析等特点，使该类型的能量采集器取得了较快发展和长足进步。但目前仍然存在采集效率低、输出能量少、能量输出随振动停止而消失，输出缺乏可持续性等问题。因此设计一种简易微型、采集高效，且输出具有可持续性的可穿戴电容式能量采集装置是十分必要的。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明提供了一种微型三维能量采集装置，包括支撑壳体结构、线圈8、中心磁铁4及线性弹簧2；
4.支撑壳体结构，包括中间呈矩形的框体1、前端盖板6及后端盖板5，
5.框体1，外部设置有线槽，用来布置串联导线，框体1内部四个壁面分别设置有多个线圈8槽，用于放置线圈8；框体1上安装有连接器3；
6.前端盖板6与后端盖板5的结构相同，扣合在框体1的两侧；两个盖板的内侧壁面结构与框体1的壁面结构相同；
7.中心磁铁4，上安装有多个连接器3；线性弹簧2设置有四根，一端连接至框体1的连接器3上，另一端连接至中心磁铁4上的连接器3上，四根线性弹簧2在框体1内部呈交叉对称分布，将中心磁铁4支撑于框体1内空间的中心处；
8.所有壁面的线圈(8)缠绕于对应线圈槽后将线圈两端在线圈槽中预留的两个小孔中引出，引到支撑壳体外部的串联线槽中，然后在支撑壳体外部的串联线槽中将六个面分别引出的线圈正极端与正极端串联，负极端与负极端串联，最后将串联后的两个正负极端口固定于前端盖板(6)上设置的正负极标识处，在使用时将该正负极接头与外接电路或用电设备连接。
9.进一步的，所述四个弹簧是两个为一组斜对应安装；同组中，其中一根线性弹簧2的上端固定在中部框体1的上部一个角的连接器3上，则该组斜对应的线性弹簧2的下端固定在其同组线性弹簧2固定角斜下方对应的角上的连接器3上，同理相同组的线性弹簧2在中心磁铁4的安装位置也是一上一下呈斜着对应，两组弹簧通过两两斜拉伸使中心磁铁4位于中心处。
10.进一步的，在框体1的四个壁面、前、后端盖板5的内壁面中心处分别设置有助力磁
铁安装槽，每个壁面上的多个线圈8槽以磁铁安装槽为中心相互平行布置；助力磁铁安装槽内安装有助力磁铁，所述的助力磁铁的高度小于助力磁铁安装槽的深度。
11.进一步的，所述连接器3的数量与线性弹簧2的数量相互匹配。
12.本发明通过上下交叉布置的四个弹簧振子结构为中心磁铁4提供支撑，使中心磁铁4可以在内部自由振动；并在四周设置6枚助力磁铁，无论中心磁铁4受到哪个方向的振动，都会因距离的改变而被助力磁铁吸引并放大此振动；同时即使外界振动激励停止，内部的中心磁铁4也会因为惯性以及助力磁铁和弹簧振子结构的相互耦合而持续振动，保证输出的可持续性；并在四周设置有6片串联的线圈8区域，使得中心磁铁4位置改变后引起所有线圈8的磁通量变化，并由于电磁感应而产生感应电流，并在线圈两端产生感应电动势，通过6个面感应线圈正负极的相互串联最终将感应电动势汇总到一对正负极端口，从而实现高效的振动能量采集和电能转化输出。
附图说明
13.图1为本发明的外观示意图；
14.图2为本发明的分解结构示意图；
15.图3为内部交叉弹簧振子的结构示意图；
16.图4为本发明的平面主视结构示意图；
17.图5为图4中b-b结构示意图；
18.图6为图4中a-a结构示意图；
19.其中，1框体，2线性弹簧，3连接器，4中心磁铁，5后端盖板，6前端盖板，7助力磁铁槽，8线圈。
具体实施方式
20.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
21.参考图1-6，本发明提供了一种基于磁助力交叉弹簧振子结构的微型三维能量采集装置，包括支撑壳体结构、线圈8、中心磁铁4及线性弹簧2；
22.支撑壳体结构，包括中间呈矩形的框体1、前端盖板6及后端盖板5，
23.框体1，外部设置有线槽，用来布置串联导线，框体1内部四个壁面分别设置有多个线圈8槽，用于放置线圈8，框体1上安装有连接器3；
24.前端盖板6与后端盖板5的结构相同，扣合在框体1的两侧；两个盖板的内侧壁面结构与框体1的壁面结构相同。后端盖板5上也布置有线圈8槽和助力磁铁槽7，并在外侧设置有线槽用来串联线圈8。前端盖板6与后端盖板5相似，只是在外侧设置有正负极指示，整个装置的线圈8正负极端相互串联后导出在前端盖板6的正负极指示处用于外界导线连接用电设备。
25.中心磁铁4，上安装有多个连接器3；线性弹簧2设置有四根，一端连接至框体1的连接器3上，另一端连接至中心磁铁4上的连接器3上，四根线性弹簧2在框体1内部呈交叉对称分布，将中心磁铁4支撑于框体1内空间的中心处；。通过线性弹簧2与连接器3使其在静止时
保持在中框的中间部位，用来感知外界振动并通过位移使四周线圈8磁通量发生变化，产生电磁感应。
26.所有壁面的线圈8的正极接头连接至一导线的一端，负极接头连接在该导线的另一端，该导线与用电设备连接。
27.作为方案的改进，所述四个弹簧是两个为一组斜对应安装；同组中，其中一根线性弹簧2的上端固定在中部框体1的上部一个角的连接器3上，则该组斜对应的线性弹簧2的下端固定在其同组线性弹簧2固定角斜下方对应的角上的连接器3上，同理相同组的线性弹簧2在中心磁铁4的安装位置也是一上一下呈斜着对应，两组弹簧通过两两斜拉伸使中心磁铁4位于中心处。弹簧交叉倾斜布置的优势在于在保证中心磁体可以在任意方向运动的同时，确保在各个方向的刚度相同，提升中心磁铁运动的规律性，进而提升电流输出的稳定性。同时，倾斜放置的弹簧在中心磁铁运动时可以保证弹簧在径向伸缩，不会发生过度的弯曲变形。
28.作为方案的改进，在框体1的四个壁面、前、后端盖板5的内壁面中心处分别设置有助力磁铁安装槽，每个壁面上的多个线圈8槽以磁铁安装槽为中心相互平行布置；助力磁铁安装槽内安装有助力磁铁，在弹簧振子与磁助力结构的综合影响下放大和延长振动；所述的助力磁铁的高度小于助力磁铁安装槽的深度，防止中心磁铁4在摆动过程中与助力磁铁接触。
29.作为方案的改进，所述连接器3的数量与线性弹簧2的数量相互匹配，每个线性弹簧2的两端均安装在连接器3上。
30.本发明提供的微型三维能量采集装置，在工作过程中中心磁铁主要受到自身重力、弹簧弹力、助力磁铁磁力以及外界振动激励产生的惯性力等共同作用。
31.假设弹簧弹力为fk，则：
32.fk＝-kx
33.其中k为弹簧弹性系数，x是形变量。当系统受到外界振动激励时，中心磁体的位置发生变化，导致弹簧拉伸或压缩，此时中心磁体的位移包含δ
x
，δy，δz，三个方向的分量，以x方向分量为例，弹簧的形变量满足：
[0034][0035]
其中θ为弹簧夹角。
[0036]
假设助力磁铁与中心磁铁间的吸引力合力为fd，以z轴方向为例，若中心磁铁在z方向产生了位移δz，则根据磁铁引力公式有：
[0037][0038]
其中k为常数，m0为中心磁体磁矩，m1、m2分别为z轴方向上两个助力磁体的磁矩(x、y轴方向发生位移同理)。
[0039]
假设中心磁体重力为fg，并引入外界振动激励引发的中心磁体惯性力为fg，且fg满足：
[0040]fg
＝-ma
[0041]
其中m为中心磁体质量，a为惯性加速度。
[0042]
综上，系统在任意时刻满足：
[0043][0044]
计算微型三维能量采集装置中的势能，考虑中心磁铁自身重力及其受到四周助力磁铁的磁力和线性弹簧弹力，势能函数可表示为：
[0045][0046]
将线圈8定型后借助双面胶等固定于中框和前后端盖板5的线圈8槽中，并将线圈8两端伸出线圈8槽的预留孔；然后将6枚助力磁铁借助胶水等固定与中框和前后端的助力磁铁安装槽中，并保证助力磁铁在表面低于槽边缘；接着将连接器3一对一分别交叉固定于中框预留槽和中心磁铁4上；然后利用线性弹簧2将中心磁铁4放置于中框中心部分，安装弹簧时依据先上后下的顺序安装，放置过程中需保证弹簧整体受力的均匀性和对称性；最后将前后盖板固定与中框两端，并利用铜线将外侧线槽中伸出的线圈8两端串联，最后输出于前端外侧的正负极指示处。当外界发生振动激励时，中心磁铁4会由于自身惯性而产生振动和相对于中心点的位移，并在弹簧振子与磁助力结构的综合影响下放大和延长振动，在中心磁铁4振动时，通过四周线圈8的磁通量均会发生变化，并由于电磁感应定律而产生电流，电流沿外侧线槽中的导线而输出到外部用电原件中，进而起到收集振动并转化为电能输出的作用。
[0047]
具体试验中，中心磁铁和助力磁铁均采用n52钕磁铁，感应线圈采用0.2mm直焊型漆包铜线，框体结构利用光固化3d打印制作，弹簧材质为不锈钢弹簧(不锈钢材质弹簧相对于弹簧钢材质，其磁性较弱，与磁铁之间的相互影响较小)，制作装配完成后总体质量为34.181g，通过胳膊单方向的自然摇动(即人走路时胳膊的自然晃动)可以产生至少30mv的有效电压，后续通过外接整流电路可以应用于微电子传感器设备等的供电。
[0048]
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种微型三维能量采集装置，其特征在于：包括支撑壳体结构、线圈(8)、中心磁铁(4)及线性弹簧(2)；支撑壳体结构，包括中间呈矩形的框体(1)、前端盖板(6)及后端盖板(5)，框体(1)，外部设置有线槽，用来布置串联导线，框体(1)内部四个壁面分别设置有多个线圈(8)槽，用于放置线圈(8)；框体(1)上安装有连接器(3)；前端盖板(6)与后端盖板(5)的结构相同，扣合在框体(1)的两侧；两个盖板的内侧壁面结构与框体(1)的壁面结构相同；中心磁铁(4)，上安装有多个连接器(3)；线性弹簧(2)设置有四根，一端连接至框体(1)的连接器(3)上，另一端连接至中心磁铁(4)上的连接器(3)上，四根线性弹簧(2)在框体(1)内部呈交叉对称分布，将中心磁铁(4)支撑于框体(1)内空间的中心处；所有壁面的线圈(8)缠绕于对应线圈槽后将线圈两端在线圈槽中预留的两个小孔中引出，引到支撑壳体外部的串联线槽中，然后在支撑壳体外部的串联线槽中将六个面分别引出的线圈正极端与正极端串联，负极端与负极端串联，最后将串联后的两个正负极端口固定于前端盖板(6)上设置的正负极标识处，在使用时将该正负极接头与外接电路或用电设备连接。2.如权利要求1所述的一种微型三维能量采集装置，其特征在于：所述四个弹簧是两个为一组斜对应安装；同组中，其中一根线性弹簧(2)的上端固定在中部框体(1)的上部一个角的连接器(3)上，则该组斜对应的线性弹簧(2)的下端固定在其同组线性弹簧(2)固定角斜下方角上的连接器(3)上，同理相同组的线性弹簧(2)在中心磁铁(4)的安装位置同为一上一下斜对应，两组弹簧通过两两斜拉伸使中心磁铁(4)位于中心处。3.如权利要求1所述的一种微型三维能量采集装置，其特征在于：在框体(1)的四个壁面、前、后端盖板(5)的内壁面中心处分别设置有助力磁铁安装槽，每个壁面上的多个线圈(8)槽以磁铁安装槽为中心相互平行布置；助力磁铁安装槽内安装有助力磁铁，所述的助力磁铁的高度小于助力磁铁安装槽的深度，以防止中心磁铁在运动时与助力磁铁直接接触。4.如权利要求1所述的一种微型三维能量采集装置，其特征在于：所述连接器(3)的数量与线性弹簧(2)的数量相互匹配。

技术总结
本发明属于能量采集技术领域，具体提供了一种微型三维能量采集装置，包括支撑壳体结构、线圈、中心磁铁及线性弹簧；支撑壳体结构，包括中间呈矩形的框体、前端盖板及后端盖板，框体，外部设置有线槽，用来布置串联导线，框体内部四个壁面分别设置有多个线圈槽，用于放置线圈；框体上安装有连接器；前端盖板与后端盖板的结构相同，扣合在框体的两侧；两个盖板的内侧壁面结构与框体的壁面结构相同；中心磁铁，上安装有多个连接器；线性弹簧设置有四根，一端连接至框体的连接器上，另一端连接至中心磁铁上的连接器上，四根线性弹簧在框体内部呈交叉对称分布，将中心磁铁支撑于框体内空间的中心处。中心处。中心处。


技术研发人员：张业伟 安耀慧 臧健 许珂凡
受保护的技术使用者：沈阳航空航天大学
技术研发日：2023.06.16
技术公布日：2023/9/6